Bài học

Ánh sáng, nồng độ CO2, nước và nhiệt độ

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em đọc được đồ thị cường độ quang hợp theo cường độ ánh sáng, giải thích được vì sao đồ thị có đoạn nằm ngang, và nêu được ảnh hưởng của nồng độ khí carbon dioxide, nước, nhiệt độ tới tốc độ quang hợp.

Kiến thức nền cần nhớ

Chương trước chứng minh quang hợp có xảy ra và cần đủ nguyên liệu, điều kiện (same-grade bridge). Nhưng "có xảy ra" và "xảy ra nhanh" là hai câu hỏi khác nhau — cùng một cây, đặt ở chỗ nắng gắt và chỗ râm mát sẽ quang hợp với tốc độ khác hẳn nhau. Bài này tìm hiểu bốn yếu tố khiến tốc độ đó thay đổi.

Khởi động

Một chậu cây để gần cửa sổ nhiều nắng thường xanh tốt hơn hẳn cùng loại cây để trong góc phòng thiếu sáng. Nhưng nếu em bê chậu cây ra giữa nắng trưa gay gắt nhất, cây có quang hợp mạnh gấp đôi so với để ở nơi có nắng vừa phải hay không? Ánh sáng càng nhiều có phải lúc nào cũng càng tốt?

Kiến thức trọng tâm

Cường độ quang hợp không tăng mãi theo cường độ ánh sáng. Khi ánh sáng còn yếu, quang hợp tăng gần như theo tỉ lệ thuận với ánh sáng — ánh sáng đang là yếu tố quyết định tốc độ. Nhưng từ một mức ánh sáng nhất định trở đi, dù ánh sáng tiếp tục tăng, cường độ quang hợp gần như không đổi nữa. Đoạn đồ thị đi ngang này gọi là vùng bão hoà ánh sáng: lúc này một yếu tố khác — thường là nồng độ khí carbon dioxide hoặc nhiệt độ — đã trở thành yếu tố khống chế tốc độ thay cho ánh sáng, nên tăng thêm ánh sáng không còn tác dụng cho tới khi yếu tố đang giới hạn kia được cải thiện.

Trục ở đây dùng đơn vị tương đối để thể hiện đúng hình dạng đường cong, không phải số đo tuyệt đối; hình dạng — tăng rồi bão hoà — mới là điều cần nhớ, không phải từng con số.

Ba yếu tố còn lại cũng ảnh hưởng tới tốc độ quang hợp theo cách tương tự: cường độ quang hợp tăng khi yếu tố đó tăng, nhưng chỉ trong một khoảng nhất định. Nồng độ khí carbon dioxide trong không khí càng cao, quang hợp càng có nhiều nguyên liệu, nên tốc độ tăng lên — cho tới khi một yếu tố khác lại trở thành giới hạn. Thiếu nước khiến cây đóng bớt khí khổng để hạn chế mất nước qua thoát hơi nước; nhưng khí khổng đóng lại cũng đồng thời chặn luôn đường vào của khí carbon dioxide, nên quang hợp giảm theo.

Nhiệt độ ảnh hưởng qua các enzyme tham gia quang hợp. Enzyme hoạt động chậm khi nhiệt độ quá thấp, hoạt động tốt nhất ở một khoảng nhiệt độ ấm vừa phải — với phần lớn cây trồng phổ biến, khoảng đó thường rơi vào 25–35°C tuỳ loài — và mất hoạt tính khi nhiệt độ quá cao, do cấu trúc enzyme bị phá vỡ (biến tính). Vì vậy đồ thị quang hợp theo nhiệt độ tăng dần tới một đỉnh rồi giảm mạnh, chứ không tiếp tục tăng mãi như nhiều học sinh nghĩ.

Giá trị là chỉ số tương đối (thang 0–10) minh hoạ hình dạng đáp ứng: quang hợp thấp khi lạnh, cao nhất ở nhiệt độ tối ưu, rồi giảm mạnh khi quá nóng do enzyme bị biến tính — không phải số đo tuyệt đối từ một loài cây cụ thể.

Ví dụ

Đọc đồ thị cường độ quang hợp theo ánh sáng và xác định điểm bão hoà

1
Dựa vào đồ thị cường độ quang hợp theo cường độ ánh sáng, xác định đoạn đồ thị đi lên, đoạn nằm ngang, và giải thích ý nghĩa của đoạn nằm ngang.
2
Ở phần ánh sáng còn yếu, đồ thị đi lên rõ rệt: cường độ ánh sáng tăng bao nhiêu, cường độ quang hợp tăng theo bấy nhiêu, cho thấy ánh sáng đang là yếu tố quyết định tốc độ.
3
Từ một mức ánh sáng nhất định trở đi, đồ thị gần như nằm ngang: cường độ ánh sáng tiếp tục tăng nhưng cường độ quang hợp gần như không đổi.
4
Theo nguyên tắc yếu tố giới hạn, khi ánh sáng đã đủ mạnh, một yếu tố khác — thường là nồng độ khí carbon dioxide — trở thành yếu tố khống chế tốc độ, nên tăng thêm ánh sáng không còn tác dụng.
5
Nếu bổ sung thêm khí carbon dioxide ở đúng vùng đồ thị nằm ngang, cường độ quang hợp sẽ tăng trở lại, đúng như dự đoán từ nguyên tắc yếu tố giới hạn.
6
Vậy đoạn đồ thị đi lên cho thấy ánh sáng còn là yếu tố giới hạn, đoạn nằm ngang cho thấy một yếu tố khác — thường là khí carbon dioxide — đã thay thế ánh sáng làm yếu tố giới hạn.

Ví dụ

Dự đoán kết quả khi tăng gấp đôi ánh sáng ở vùng đã bão hoà (dạng đề kiểm tra)

1
Một luống rau đang được chiếu sáng ở cường độ đã nằm trong vùng bão hoà ánh sáng của đồ thị quang hợp. Người trồng tăng gấp đôi cường độ đèn chiếu sáng. Dự đoán cường độ quang hợp thay đổi ra sao, và đề xuất một biện pháp khác hiệu quả hơn.
2
Đề bài cho biết cường độ ánh sáng ban đầu đã ở vùng bão hoà, tức là đã thuộc đoạn đồ thị nằm ngang, không còn thuộc đoạn đi lên.
3
Theo nguyên tắc yếu tố giới hạn, ở vùng này ánh sáng không còn là yếu tố khống chế tốc độ, nên tăng thêm ánh sáng — dù gấp đôi — không làm cường độ quang hợp tăng đáng kể.
4
Yếu tố đang giới hạn tốc độ lúc này là một yếu tố khác, ví dụ nồng độ khí carbon dioxide hoặc nhiệt độ, nên muốn tăng quang hợp cần tác động đúng vào yếu tố đó.
5
Người trồng nên tăng thông khí hoặc bổ sung khí carbon dioxide trong nhà kính, thay vì tiếp tục tăng ánh sáng vốn đã đủ.
6
Vậy tăng gấp đôi ánh sáng ở vùng đã bão hoà gần như không làm quang hợp tăng thêm; biện pháp hiệu quả hơn là tăng nồng độ khí carbon dioxide hoặc điều chỉnh nhiệt độ, đúng yếu tố đang giới hạn tốc độ.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh nghĩ "ánh sáng càng mạnh, quang hợp càng nhanh" là đúng trong mọi trường hợp — thực ra chỉ đúng khi ánh sáng còn ở vùng thấp; qua vùng bão hoà, tăng thêm ánh sáng gần như vô ích. Một nhầm lẫn khác là nghĩ nhiệt độ càng cao quang hợp càng mạnh — thực ra quá nóng làm enzyme biến tính, khiến quang hợp giảm mạnh chứ không tăng.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Cường độ quang hợp tăng theo ánh sáng, nồng độ khí carbon dioxide và nước — nhưng chỉ tới một giới hạn rồi bão hoà, vì lúc đó một yếu tố khác đã thay thế làm yếu tố khống chế tốc độ. Nhiệt độ có một khoảng tối ưu; quá lạnh hay quá nóng đều làm quang hợp giảm.

Hiểu được các yếu tố này không chỉ để trả lời câu hỏi lý thuyết — bài tiếp theo cho thấy người nông dân Việt Nam vận dụng chính bốn yếu tố này vào việc trồng trọt hằng ngày.